ГЕТЕРОФІЛІЯ У РОСЛИН - О.М. НЕДУХА - 2011

РОЗДІЛ ПЕРШИЙ. МОРФОЛОГІЧНА ТА СТРУКТУРНО-ФУНКЦІОНАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕГЕТАТИВНИХ ОРГАНІВ ГЕТЕРОФІЛЬНИХ РОСЛИН

1.6. АНАТОМІЧНА БУДОВА ЛИСТКІВ І СТЕБЕЛ ГЕТЕРОФІЛЬНИХ РОСЛИН

При природному зниженні рівня води в озерах і річках частини стебел водних рослин опиняються над водою, і тоді на надводному короткому стеблі можуть формуватися повітряні листки, які суттєво відрізняються від підводних листків за морфолого-анатомічними параметрами. Так, у видів Potamogeton anguillantus, P. perfoliatus, P. malaianus і гібридів P. anguillantus після «виходу» стебла з води надводні листки відрізнялися від підводних наступними ознаками: появою листкового черешка, зменшенням довжини листкової пластинки в кілька разів, збільшенням майже вдвічі товщини листкової пластинки, появою продихів на адаксіальній та абаксіальній поверхнях (Iida et al., 2009).

Таким чином, було встановлено, що фенотипічні зміни форми та структури листків при переході з води на повітря опосередковані змінами оточуючого середовища. Відмінності в анатомічній будові підводних і надводних листків, а також стебел гетерофільних рослин за деякими ознаками є типовими для багатьох видів вищих водних рослин. Гетерофілія супроводжується змінами в анатомічній будові листків, крім того відмічено, що анатомічна будова підводних і надводних пагонів у рослин, для яких характерна гетерофілія, також різниться.

ЛИСТКИ. У водних гетерофільних рослин надводні, плаваючі та підводні листки характеризуються різним типом будови мезофілу та епідерми. Зі збільшенням ступеня (глибини) занурення листків у воду відбувається зміна типів мезофілу: ізопалісадний →дорзовентральний → гомогенний. Ізопалісадний тип мезофілу характеризується наявністю палісадної паренхіми під верхнім і над нижнім епідермісом, між шарами палісади знаходиться губчаста паренхіма. Тип структури мезофілу та його кількісна характеристика обумовлені умовами середовища, насамперед світловим чинником (Ронжина, Пьянков, 2001). Надводні та плаваючі листки гідрофітів, які зростають в умовах достатнього та високого освітлення, звичайно мають дорзовентральний тип анатомічної будови із двома-трьома шарами палісадної тканини, наприклад у надводних листків стрілолиста та глечиків. Ізопалісадний тип анатомічної будови, за якої в листках не диференціюється палісадна паренхіма, а мезофіл представлений однотипними округлими клітинами, виявлений у двох видів (Typha latifolia, T. angustifolia). Рослини цієї групи під час пересихання водойм можуть зазнавати дефіциту вологи, а ізопалісадна паренхіма в такі періоди може виявитися корисним екологічним пристосуванням (Ронжина, Пьянков, 2001).

У більшості підводних листків гетерофільних рослин листкові пластинки характеризуються ізолатеральним типом анатомії з недиференційованим мезофілом, меншою товщиною пластинки та відсутністю продихів порівняно з надводними листками. Ці ознаки характерні для таких рослин, як Nuphar lutea, Sagittaria sagittifolia, Potamogeton natans, P. fluitans та ін.

У деяких видів, зокрема Ludwigia repens та Sium latifolium, товщина підводних та надводних листкових пластинок майже не відрізняється, однотипна анатомія пластинки (Little, 2003; Недуха, 2004). Водночас, інші ознаки - такі, як щільність продихів на верхній поверхні листків і кількість зерен крохмалю в хлоропластах листків - достовірно були вищими в надводних листках (табл. 1.6.1).

Потрібно відмітити, що індекс гетерофілії (ІГ), який є величиною відношення довжини листка до його ширини (Young, Horton, 1985), у підводних листків значно більший, ніж у надводних. ІГ у підводних листків під час їхнього зростання постійно збільшується. Так, у підводних листків Ranunculus flabellaris (Woodvine, 1999; Woodvine, Dengler, 1999) цей індекс підвищувався під час їхнього росту: у повітряних листків з дванадцятої до двадцять четвертої доби величина ІГ змінювалася від п'яти до десяти; а в підводних листках за цей період вона збільшувалася від п'яти до двадцяти п'яти.

Акліматизацію листків до підводних умов існування можна прослідити на справжніх гідрофітах (Bruni et al.,1996; Wells, Pigliucci, 2000; Frost-

Christensen et al., 2003), зокрема на листках Rumex palustris (Mommer et al., 2005). Листки цієї рослини, які розвиваються під водою, на 20% тонші, ніж надводні, мають у 10 разів менше запасного крохмалю, ніж надводні листки, й характеризуються збільшеною відносною поверхнею листка (відношення площі/до сирої маси, м²гр^-1), що вказує на велику поверхню стосовно маси листка. Вищезазначені ознаки сприяють акліматизації та підтримують стійкість рослин до підводного існування, за якого СО₂ транспортується безпосередньо у фотосинтезуючі епідермальні клітини шляхом дифузії крізь зовнішні оболонки епідермісу. Величина дифузії СО₂ в підводних листках Rumex palustris дуже відрізняється від величини у надводних листках (Mommer et al., 2005); асиміляція СО₂ в підводних листках цієї рослини та інших гідрофітів дуже висока порівняно із надводними листками (He et al., 1999; Boeger, Poulson 2003; Mommer et al., 2006, а; 2006, b).

Вивчення анатомо-функціональних ознак надводних, плаваючих і підводних листків численних видів гідрофітів дало змогу російським ученим виявити залежність певних ознак від виду та умов його зростання, спільні та відмінні видові ознаки (Некрасова и др. 2003). Досліджуючи рослини з річок Сисерть та Ісеть Свердловської обл. Росії автори показали, що надводні листки у фазі цвітіння (Ranunculus gmelini DC, Ranunculus sceleratus, Typha angustifolia L., Typha latifolia L. та ін.) характеризувалися дорзовентральним типом анатомічної будови, великою кількістю хлоропластів на одиницю площі листка (17,4 ± 0,28) (Некрасова и др., 2003).

ТАБЛИЦЯ 1.6.1. Анатомічна характеристика підводних та надводних листків Ludwigia repens (Little , 2003)

У гідрофітів із плаваючими листками (Nuphar lutea, N. pumila (Timm.) DC, Potamogeton natans, Ranunculus sceleratus та ін.) тип анатомічної будови

пластинки був як дорзовентральний, так і гомогенний, середнє значення числа хлоропластів на одиницю площі листка було меншим (10,20 ± 0,18) порівняно з надводними листками (Некрасова и др., 2003).

Водночас, у підводних листках гідрофітів (як гетерофільних, так і гомофільних вищих водних рослин), зокрема в Nuphar lutea, Potamogeton alpinus Balb., P. compresus L., P. crispus L., P. lucens, P. pectinatus L., P. perfoliatus L., P. pusillus L. та ін., середнє значення числа хлоропластів на одиницю площі підводного листка дорівнювало 3,10 ± 0,05 (це майже в п'ять разів менше порівняно з надводними листками), а середнє значення вмісту хлорофілу на хлоропласт було вищим, ніж у надводних і плаваючих листків (Некрасова и др., 2003).

Досліджуючи анатомію суходільних і підводних листкових пластинок осоки (Eleocharis vivipara Link) та використовуючи обробку абсцизовою кислотою, О. Уено зі співавторами (Ueno, 1996, a; b; Ueno et al., 1998) описали структуру обгортки провідних пучків і клітин мезофілу. У результаті виявилося, що листки суходільних форм мали Кранц-анатомію й три типи провідних пучків. Зовнішня обгортка паренхімних клітин містила невеликі хлоропласти, що функціонували як хлоропласти мезофілу. Середній пучок та його обгортка не мали хлоропластів. А внутрішній пучок містив кранц-клітини з добре розвиненими гранальними хлоропластами та великими мітохондріями. Тобто структурні особливості клітин листків відображали біохімічну характеристику С₄-типу рослин (Ueno, 1996, a).

Тим часом підводні листки цього виду осоки мали великі повітряні порожнини між мезофілом та епідермісом. Провідні пучки були дуже маленькими й характеризувалися менш щільним розподілом порівняно із суходільними формами листків. Кранц-анатомія редукована за кількістю та розміром клітин, клітини містили невелику кількість органел. Хлоропласти редукованих Кранц-клітин були меншими, ніж у суходільної осоки. Така анатомічна характеристика типова для підводних листків гідрофітів. Коли ж підводну форму осоки помістили у воду з додаванням 5 мікро моль АБК, то через тиждень з'явилися нові листки зі структурою, подібною до структури надводних листків (суходільної форми). Пучки обгортки таких новоутворених листків нагадували обгортку суходільних листків. Кранц-клітини були добре розвинені й містили велику кількість хлоропластів, мітохондрій і пероксисом, які за своєю структурою подібні до органел Кранц-клітин суходільних листків. Хлоропласти великі, мали грани, а розмір хлоропластів більший, ніж у хлоропластів Кранц-клітин підводних листків. Епідерміс цих листків містив продихи, які не функціонували, тобто в підводних листках у разі додавання АБК відбувалась зміна в анатомічній будові та ультраструктури клітин. Слід зауважити, що листки, сформовані ще до обробки АБК (старі, а не новоутворені), ставали бурими й гинули (Ueno, 1998).

Світлооптичне дослідження надводних і підводних листків Trapa natans (Bercu, 2004) показало, що їхня анатомічна будова сильно різнилася. Надводні листки мали типову одношарову верхню та нижню епідерми. Про- дихи були лише на верхньому епідермісі надводних листків. На нижньому епідермісі - багато трихом. Мезофіл мав палісадну та губчасту паренхіми: 2-3-шарова палісадна та одно- двошарова губчаста паренхіма. У порожнинах продихів виявляли друзи (кристали оксалату кальцію) (Batanouny, 1992). Між клітинами губчастої паренхіми були великі повітряні порожнини. Провідна система представлена невеликими провідними пучками. Листковий черешок надводних листків покритий тонкостінним епідермісом, у клітинах епідермісу містяться хлоропласти. Гіподерма має 5-6 шарів клітин (у вузькій зоні черешка), клітини гіподерми компактні, за гіподермою йде аеренхіма, яка містить кристали оксалату кальцію. Поперечні зрізи підводних розсічених листків Trapa natans мають дуже просту анатомічну будову: епідерміс, кору та провідний пучок. Кора складається із 8-9 шарів паренхімних клітин. Невеликі повітряні порожнини є серед паренхімних клітин кори. Вони дуже маленькі й нагадують порожнини, подібні до таких у Vallisneria spiralis L. (Bercu, Fagaras, 2002) та в Myriophyllum verticillatum L. (Serbanescu-Jitariu, Torna, 2002). Кора й ендодерма складалися лише з одного шару клітин. Провідна система складається із ксилеми та флоеми, які оточують перицикл. Флоема сформувалася з метафлоемних судин, які спрямовані до ксилеми, та протофлоемних судин. Тобто, підводні листки Trapa natans за анатомією нагадували структуру коренів, у яких ксилемні елементи були редуковані, а перицикл мав лише один шар клітин (Bercu, 2004).

Л. Момер зі співавторами (Mommer, et al., 2007) також здійснили дослідження з використанням Rumex palustris для вивчення його стійкості до затоплення. Відповідно до реакції гідрофітів на повне затоплення можна припустити, що стійкість органів до затоплення в нетолерантних видів може частково відбуватися за типом водних гетерофільних рослин. Дослідники висунули гіпотезу, що реакція листків і стебел на повне затоплення залежить від стійкості виду до нього. Підтвердженням цього є індукція певних ознак - збільшення ваги рослини й аеренхіми та зниження відношення площі/маси листка (Mommer et al., 2006, a). Л. Момер зі співавторами (Mommer et al., 2007) застосувала мікроелектродне визначення кисню для оцінки підводного газообміну під час затоплення дев'яти видів, які вирізняються стійкістю до нього. Вміст внутрішнього кисню вимірювали в листкових черешках, оскільки до них кисень надходив з оточуючого шару води та під час фотосинтезу на світлі. Дослідження проводилися в комплексі з вивченням морфології та анатомічних ознак адаптації, які недавно були ідентифіковані за зміни підводного газообміну (Mommer et al., 2005).

У цих експериментах Л. Момер зі співавторами (Mommer, et al., 2007), використовувала види рослин, стійкі або нестійкі до затоплення, які зростали на луках біля річки Рейн (у Нідерландах). Види рослин відбирали з різних родин дводольних. Дослідники встановили залежність пластичності ознак від генотипу та фенотипу рослини. До стійких відносили види, які затоплювалися більше, ніж на 100 - 150 діб протягом року (Voesenek et al.,2004 ), до нестійких - види, що затоплювалися менше двох діб на рік. Усі рослини вирощували з насіння, крім виду Potentilla reptans. Рослини зростали в спеціальних камерах з освітленням 250 мкМ квантів м^-2 -с^-1, 16 год. освітлення/8 год. - темрява, при температурі + 20^оС. Через 32 доби зростання рослини заливали водним розчином Хохланда на 21 добу, за умови зниження удвічі освітлення.

Особливої уваги заслуговують досліди, проведені на порівнянні анатомічних ознак і фізіологічних показників у водних і суходільних видів, що зростали на грунтах з різною вологістю (табл. 1.6.2). Виміри вмісту кисню в черешках через 21 добу затоплення показали, що його вміст у видів рослин, що зростали у воді, порівняно з видами, що зростали на суходолі, підвищувався. У всіх видів, використаних у дослідах, були вивчені анатомічні ознаки й об'єм аеренхіми (табл. 1.6.3).

ТАБЛИЦЯ 1.6.2. Список видів, які використовували в експерименті з вивчення стійкості до затоплення (Voesenek et al., 2004)

Позначення *: Н - види, нестійкі до затоплення; С - види, стійкі (толерантні) до затоплення

ТАБЛИЦЯ 1.6.3. Об'єм аеренхіми в листках толерантних і нетолерантних до затоплення видів. Вимірювання здійснені після затоплення (Mommer et al., 2007)

Встановлено, що черешки листків і листкові пластинки водних рослин були тонші, мали тонші клітинні оболонки, тоншу кутикулу й велику поверхню листків на одиницю біомаси порівняно з такими ознаками повітряних листків.

У нестійких до затоплення видів відповідна реакція-відповідь була більш виразною, особливо це стосувалося товщини епідермальних клітинних оболонок. Автори зробили висновок, що толерантні до затоплення рослини постійно мають тонкі клітинні оболонки в епідермісі листків. Однин із найстійкіших до затоплення видів - Oenanthe aquatica не виявив такої пластичності ні в товщині листка, ні в товщині клітинних оболонок. Очевидно, це пов'язано з тим, що цей вид може постійно перебувати в затоплених умовах. Виміри вмісту кисню в черешках листків, стійких до затоплення видів, показали, що надходження кисню з води в черешок, було значно меншим порівняно з таким у нестійких до затоплення видів. Вміст аеренхіми також збільшувався під час затоплення, причому залежно від стійкості до даного чинника (табл. 1.6.3).

Отже, була доведена залежність стійкості листків до затоплення від вмісту кисню, який надходив у стебла досліджуваних видів. Виявлено, що здатність до пластичних змін під час затоплення може індукувати стійкість рослин (до даного чинника), яка корелюється змінами вмісту кисню. У нестійких видів вміст кисню був меншим у верхній частині черешків, ніж у видів, толерантних до затоплення.

Акліматизація рослин також залежала від довжини черешка. У стійких видів, які при затопленні перебували в темноті (вночі), вміст кисню був вищим, ніж у нестійких до затоплення видів. Це дало змогу допустити, що листки стійких видів мають переваги, які їм надані за генотипом та фенотипом. Тривалість життя листків суходільних рослин коротший у нестійких видів порівняно зі стійкими до затоплення видами (Mommer et al., 2006, a), проте фотосинтетична продуктивність водних листків є значно нижчою в нестійких, ніж у стійких видів (Mommer, Visser, 2005). Пластичність підводних листків повинна розглядатися як прерогатива для підводного існування. Важливим чинником стійкості до підводного функціонування є внутрішня аерація, наявна в стійких до затоплення видів. Така аерація з'являється й у нестійких видів. Як вже відмічалося, інтенсивність освітлення впливає на анатомо-структурні ознаки листкових пластинок гідрофітів (Wells, Pigliucci, 2000). Порівняння анатомічних ознак у суходільних і водних рослин, яким характерна гетерофілія, та звичайних суходільних рослин (яким гетерофілія не характерна), показали наявність як спільних, так і відмінних ознак (табл. 1.6.4.).

ТАБЛИЦЯ 1.6.4. Ознаки відповіді суходільних і гетерофільних водних рослин на інтенсивність освітлення (Wells, Pigliucci, 2000)

Встановлено, що швидкість течії також впливає на деякі показники підводних листків: їхню площу, масу та вміст фотосинтезуючих пігментів. Саме тонкий листок може реагувати на слабке надходження СО₂ всередину листкової пластинки, в якій слабкий потік вуглекислого газу корелює зі зниженим функціонуванням фотосинтезу (Black et al., 1981; Madsen, Breinholt, 1995). Посилення швидкості течії спричиняє зниження товщини підводних листків, збільшення їх щільності (кількості), зниження площі та зростання вмісту хлорофілу (Boeger, Poulson, 2003).